变速恒频风力发电技术因其高效性和实用性正受到越来越多的关注，有着良好的发展前景。本文致力于研究变速恒频风力发电技术，从分析其运行机理入手，比较了定桨距、变桨距和变速恒频风力发电的区别，选定双馈式变速恒频方案：它在低风速阶段主要进行变桨距调节追求最大风能捕获，高风速时通过控制双馈电机转子侧的电流，达到定子输出恒频和有功、无功的独立调节。变桨距风力机作为风能转换为机械能的设备，是风力发电系统的重要组成部分，它与风电场风能资源的匹配问题直接影响到了风力发电系统的运行特性。本文以风能理论为基础，探讨了风力机组设备的选型问题，建立起风速和风力机系统的数学模型。双馈异步电机是变速恒频风力发电系统的核心。本文分析了其基本运行特点，指出双馈发电机具有普通交流电机无法比拟的优点；研究了稳态电路和功率平衡关系，并详细推导出M-T-0坐标系下的5阶状态方程，建立起定子磁链定向矢量控制系统，实现了定子有功和无功的解耦控制，使电机控制简单化。变频器是双馈电机实现变速恒频运行的关键，本文选定了六脉波交-交变频器作为励磁电源。通过对其主电路结构、余弦交截法和触发脉冲产生原理等的进一步分析，建立起六脉波交-交变频器的数学模型，并处理了与变频器与发电机的接口问题。最后，利用Matlab6.5/Simulink5.0仿真软件，建立了系统各组成部分的仿真模型，并进行了仿真实验研究。仿真结果表明，所建模型是正确的，变速恒频风力发电系统具有良好的运行特性。
上传时间： 2013-07-14
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开关磁阻电机（SR电机）驱动系统（SRD）是一种先进的机电一体化装置，但是其较大的振动噪声和转矩脉动问题制约了SRD的广泛应用。本文以减小SR电机振动噪声和转矩脉动为主题展开理论分析和实验研究。主要内容有：由于径向力引起的定子径向振动是SR电机噪声的主要根源，因此径向力的分析和计算是研究SR电机振动噪声的基础。本文利用磁通管法推导出径向力的解析表达式，定性分析了径向力与电机结构参数等之间的关系。根据虚位移原理，推导出基于矢量磁势的电磁力计算公式。该计算方法求解电磁力时只需进行一次磁场计算，不但减小了计算量，同时计算精度较传统虚位移法高。利用这一计算方法，求出了实验样机的转矩及径向力的精确数值解。针对在SRD性能仿真时，传统的非线性插值不但耗时，而且对有限元计算数据量要求高的问题，本文利用人工神经网络强大的非线性模型辨识能力，成功进行了SR电机磁链反演和转矩计算的模型训练，最后建立了基于人工神经网络的SR电机精确解析数学模型。因为SR电机本体结构形式的选择问题与振动噪声大小有着密切的关系。本文从噪声辐射和振动幅值角度探讨了SR电机主要尺寸的确定；接着从对称性、力波阶数等角度研究了SR电机相数及绕组连接方式、极数、并联支路数的选择问题。并对一些常用的降低电机机械噪声的措施和方法进行了综述。系统振动特性的研究对于减小振动噪声十分重要。本文从振动系统的运动方程出发，导出了从激振力到振动加速度的传递函数和系统的自由振动解；然后利用机电类比法得出了SR电机定子系统的固有频率以及振动振幅的解析解，定性分析了影响振动振幅的各种因素；最后利用基于能量法的有限元解法，通过建立不同的散热筋结构形式、高度、根数以及形状的SR电机三维有限元模型，分析得出了最有利于降噪和散热的散热筋结构是高度高、根数多、上窄下宽的梯形截面的周向散热筋的结论。通过建立不同绕组装配工艺下的SR电机三维有限元模型，分析得出了加强绕组刚度可以提高系统低阶固有频率的结论。通过比较实验样机的模态分析结果和运行实验结果，证实了模态分析的有效性。仿真是计算SRD系统性能和预估电机振动的有效手段。本文在用MATLAB建立SRD系统的非线性动态仿真模型的基础上，对SRD系统进行了稳态性能仿真、动态性能仿真以及负载突变仿真。接着利用稳态性能仿真，综合考虑最大平均转矩和效率这两个优化目标，对SR电机的开关角进行了优化。最后结合由磁场有限元计算得到的径向力数据表和稳态性能仿真，通过非线性插值得到径向力的波形，然后对径向力波形进行了频谱分析，从而找到其主要的谐波分量。在电机设计阶段避免径向力波主要频谱分量与SR电机定子的固有频率接近而引起共振是降低SR电机噪声的首要条件。合适的控制策略对于SR电机减振降噪是必不可少的。本文理论推导出三步换相法的时间参数取值公式。仿真证明本取值公式较原先文献的结论在阻尼比较小时有更好的减振效果。针对SR电机运行中可能出现多个模态振形被激发出来的情况，利用数值优化法对三步换相法的时间参数进行了优化，使得减振效果整体最佳，所提的数值优化方法对两步换相法同样有效。在分析已有的直接瞬时转矩控制的基础上，针对其不足之处，提出了转矩定频控制取代内滞环的方法、开始重叠区域的转矩控制方法、最佳开关角度二次优化法和时间参数优化的三步换相法等新的控制方案。动态仿真证明这些方案是切实有效的，达到了预期效果。最后在直接瞬时转矩控制的每一次转矩斩波都使用三步换相法，和在相关断时刻根据实际电平灵活选用两步或三步换相法以减小电机振动噪声，并提出了考虑减振要求的开关频率设计方法，最终形成了一套完整的降低振动噪声和转矩脉动控制策略。设计并研制了基于TMS320LF2407DSP的SR电机控制器。根据控制策略要求，选用了不对称半桥功率电路拓扑结构；出于降低成本以及提高可靠性考虑，采用了MOSFET双路并联电路方案。在控制软件中实现了本文所提出的降低SR电机振动噪声和转矩脉动控制策略。本文最后对实验样机进行了静态转矩的测量实验，对比转矩测量值与转矩有限元计算值，验证了磁场有限元计算的有效性。然后对实验样机进行了空载与负载、电流控制与转矩控制、低速斩波与高速单波、是否采用两步或三步换相法等一系列对比运行实验，对比各种实验结果，充分证实了本文所提出的降低振动噪声和转矩脉动控制策略的有效性。本课题组承担了国家十·五863计划电动汽车重大专项：“EQ6110HEV混合动力城市公交车用电机及其控制系统”（2001AA501421）。本文的研究是在该项目的资助下完成，并且本文关于电机本体结构形式、散热筋结构和机械降噪措施等的结论已在该项目的60kW实验样机上得到证实。
上传时间： 2013-07-05
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以“混合式步进电动机驱动控制系统设计”和“电动座椅控制系统设计”作为实际应用背景，分析了两种不同种类电动机的原理特性和控制方法，阐述了这两个系统的开发过程，研究了单片机在这两个系统中的应用，进一步挖掘了单片机在电机运动控制领域中的应用潜力。 文中分两个部分分别对这两个系统进行了介绍。在混合式步进电动机驱动控制系统部分，介绍了步进电动机的运行特性和控制方法，建立了仿真模型并对步进电动机各主要的运行特性进行了仿真研究，着重叙述了步进电动机多步距角控制、斩波恒流控制和升降频控制等控制功能，以及上位机控制软件的实现过程。电动座椅控制系统部分，首先阐述了无刷直流电动机的运行特性，建立了仿真模型并对先进PID控制方法在无刷直流电动机中的应用进行了仿真研究，着重阐述了位置记忆功能的实现过程。 实验结果表明，系统硬件和软件设计合理可行，圆满的完成了既定的开发任务，实现了所有的预定功能，且运行性能良好。混合式步进电动机驱动控制系统可以通过上位机和控制面板分别控制，可以驱动不同种类的步进电动机且具备多种控制功能。电动座椅控制系统将无刷直流电动机应用到了电动座椅领域，且实现了电动座椅的智能化。这些也正是本文的创新之处。另外，结构化的硬件设计方法及模块化的软件设计法使得系统具有较好的通用性和可扩展性。
上传时间： 2013-05-26
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稀土永磁无刷直流电动机采用高磁能积的稀土永磁材料，同时采用电子换向技术去掉了电刷，使得它具有结构简单、运行可靠、体积小、质量轻、损耗小、效率高、运行特性优良等特点，从而广泛应用于航空航天、精密仪器、工业控制等许多对电机运行性能要求较高的场合。因此，对稀土永磁无刷直流电机的研究具有重要的意义。本文对稀土永磁无刷直流电动机设计方法和分析方法进行了研究： 永磁电机设计计算中传统的一般采用比较简单的磁路法，用磁钢工作图计算静态及动态的工作点，这显然不能满足精确性的要求。本文采用了场路结合的方法，首先利用磁路法对电机进行初步设计，然后建立有限元分析模型对电机的参数和性能进行精确分析，采用这样的方法不但可以满足精确性要求，同时可以缩短设计周期。 本文把有限元方法引入到了对电机性能影响较大的重要系数(如空载漏磁系数、电枢计算长度、计算极弧系数和气隙系数等)及性能参数反电动势、电磁转矩、电感的计算中。以电机内磁场有限元分析为基础的设计结果体现了较高的精确度；同时，由于在大功率、高转速的永磁无刷直流电动机中，电流受漏感的影响从而改变了电机的性能，因此漏感的作用不容忽视。本文推导了稀土永磁无刷直流电动机漏电感计算的有限元方法，引入了电机等效电阻系数，并针对电磁转矩脉动和齿槽转矩脉动的产生的原因，给出了多种有效的抑制方法，使电机设计更为合理。最后介绍了电机测试平台的搭建和具体的测试方法，以验证用户关心的电机性能参数在电机设计中的正确性。
上传时间： 2013-06-09
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永磁无刷直流电动机是一种集电机和电子一体化的高新技术产品，它以其体积小、重量轻、惯量小、控制简单和动态性能好等优良特性，被广泛应用于工业、交通、消费电子、航空航天、军事等领域，对永磁无刷直流电动机的研究具有十分重要的意义。 通常的永磁无刷直流电动机由永磁同步电动机、逆变器以及安装在转子轴上的位置传感器构成。逆变器的驱动信号与转子位置信号同步从而保证在任意的速度下定子绕组电流与转子磁场同步。 本文系统研究了永磁无刷直流电动机本体及驱动控制系统，取得了有价值的研究成果。 1)本文查阅了大量的文献资料，全面总结和分析了永磁无刷直流电动机的研究现状，阐述了永磁无刷直流电动机的运行和控制机理。 2)在分析永磁无刷直流电动机的性能与运行原理的基础上，设计了以PIC16F877A单片机为核心的永磁无刷直流电动机调速系统，并进行了实验研究。 3)利用Matlab/Simulink对永磁无刷直流电动机系统建立动态仿真模型，结合实验所得参数进行仿真，结果证明所建仿真模型的正确性和有效性。 4)在Matlab下对永磁无刷直流电动机可能会出现的各种故障进行了仿真研究，表明了永磁无刷直流电动机具有良好的容错性能。 5)基于磁路法设计了一套永磁无刷直流电动机的电磁设计程序，给出了计算实例。 6)给出了计及齿槽影响的永磁无刷直流电动机电感参数的解析计算，与有限元法计算结果对比，表明此方法的正确性和精确性；在星形连接的两两导通方式下，分析计算得到计及绕组电感的永磁无刷直流电动机的平均电流稳态电路模型，结果表明计及电感参数的电枢电流较小，转速相应降低；推导出了在三角形连接的两两导通方式下，计及绕组电感的相电流解析式。
上传时间： 2013-04-24
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开发和研制无铁心永磁电机是当前电机领域的一项重要课题，无铁心永磁电机可以解决传统有铁心电机存在的重量重、损耗高、振动噪声大等问题。开发无铁心永磁电机需要准确计算电机的参数和性能，而实现这一任务的重要前提是获得正确的磁场分布。无铁心永磁电机气隙外没有铁磁材料，其自身的结构特点决定了无铁心永磁电机的气隙磁场属于三维开域磁场，开域磁场工程问题的计算是近年来计算电磁学的研究热点之一。 本文的研究内容是国家高技术研究发展(863)计划项目“新型稀土永磁电机设计与集成技术”的关键技术之一。针对无铁心永磁电机的实际工程问题，计算方法的选择力求既能保证一定的计算精度，又能节约计算机内存和CPU时间。根据对各种开域电磁场计算方法的分析比较，本文将渐近边界条件法和有限元法结合解决无铁心永磁电机三维开域磁场计算问题。 本文主要由以下几部分组成： 第一部分为无铁心永磁电机三维开域磁场计算方法的研究。首先提出了基于标量磁位的渐近边界条件，建立了球形边界的标量磁位渐近边界条件数学模型。为了尽可能减少节点的数量，结合无铁心永磁电机的具体结构，推导了适合于盒形截断边界和圆柱形截断边界上简便易行的一阶和二阶标量渐近边界条件算子，该算子具有简单、有限元实施容易的特点。其次研究并建立了标量渐近边界条件与有限元法结合的三维开域静磁场的数学模型，并提出具体的实施方法，推导出相应的离散方程。通过对具有解析解的长方永磁体三维开域磁场的实例计算，验证了方法和所编程序的正确性，并将渐近边界条件法与截断法在计算精度和人工外边界距离方面做了比较。结果表明：在相同人工外边界情况下，渐近边界条件与截断边界条件相比，计算精度明显提高，二阶渐近边界条件明显优于一阶渐近边界条件。与截断法相比，渐近边界条件法更节约计算机内存和CPU时间，比较好地处理了计算量与计算精度之间的矛盾。 第二部分针对Halbach阵列内转子无铁心永磁电机三维开域磁场问题进行深入研究。利用渐近边界条件法，定量地计算了在定转子均无铁心的情况下电机内部及周围磁场的大小，总结出了Halbach阵列无铁心永磁电机磁场的空间分布规律。 第三部分针对不同拓扑结构的Halbach磁体阵列电机磁场问题进行对比研究。通过大量的计算，探讨了Halbach阵列永磁电机在转子无铁心情况下影响气隙磁密的各种因素，分析了不同Halbach磁体轴向长度对端部漏磁的影响规律，给出了无铁心永磁电机漏磁系数、电枢计算长度等主要设计参数随电机结构尺寸的变化规律。 第四部分针对具有试验数据的三种结构的无铁心永磁电机样机进行了计算和分析，计算结果与试验数据吻合，从而验证了渐近边界条件法处理三维开域磁场问题的有效性和实用性。
上传时间： 2013-06-22
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本课题是国家自然科学基金重点资助项目“微型燃气轮机一高速发电机分布式发电与能量转换系统研究”(50437010)的部分研究内容。高速电机的体积小、功率密度大和效率高，正在成为电机领域的研究热点之一。高速电机的主要特点有两个：一是转子的高速旋转，二是定子绕组电流和铁心中磁通的高频率，由此决定了不同于普通电机的高速电机特有的关键技术。本文针对高速永磁电机的机械与电磁特性及其关键技术进行了深入地研究，主要包括以下内容： 首先，进行了高速永磁电机转子的结构设计与强度分析。根据永磁体抗压强度远大于抗拉强度的特点，提出了一种采用整体永磁体外加非导磁高强度合金钢护套的新型转子结构。永磁体与护套之间采用过盈配合，用护套对永磁体施加的静态预压力抵消高速旋转离心力产生的拉应力，使永磁体高速旋转时仍承受一定的压应力，从而保证永磁转子的安全运行。基于弹性力学厚壁筒理论与有限元接触理论，建立了新型高速永磁转子应力计算模型，确定了护套和永磁体之间的过盈量，计算了永磁体和护套中的应力分布。该种转子结构和强度计算方法已应用于高速永磁电机的样机设计。 其次，进行了高速永磁转子的刚度分析和磁力轴承—转子系统的临界转速计算。基于电磁场理论分析了磁力轴承支承的各向同性，利用气隙静态偏置磁通密度计算了磁力轴承的线性支承刚度，在对高速电机转子结构离散化的基础上建立了磁力轴承—转子系统的动力学方程，采用有限元法计算了高速永磁电机转子的临界转速。利用该计算方法设计的1台采用磁力轴承的高速电机，已成功实现60000r/min的运行。 再次，进行了高速永磁电机的定子设计，提出了一种新型环形绕组结构。环型绕组线圈的下层边放在定子铁心的6个槽中，而上层边分布在定子铁心轭部外缘的24个槽中，不但增加了定子表面的通风散热面积，使冷却气流直接冷却定子绕组，更为重要的是，解决了传统2极电机绕组端部轴向过长的难题，使转子轴向长度大为缩短，从而增加了高速永磁电机转子系统的刚度。 然后，采用场路耦合以及解析与实验相结合的方法，分析计算了高速永磁电机的损耗和温升，并对高速永磁发电机的电磁特性进行了仿真。高速电机的优点是体积小和功率密度大，然而随之而来的缺点是单位体积的损耗大，以及因散热面积小造成的散热困难。损耗和温升的准确计算对高速电机的安全运行至关重要。为了准确计算高速电机的高频铁耗，对定子铁心所采用的各向异性冷轧电工钢片制作的试件，进行了不同频率和不同轧制方向的导磁性能和损耗系数测定。然后采用场路耦合的方法，分析计算了高速电机的定子铁耗和铜耗、转子护套和永磁体内的高频附加损耗以及转子表面的风磨损耗。在损耗分析的基础上，计算了高速电机的温升。最后，设计制造了一台额定转速为60000r/min的高速永磁电机试验样机，并进行了初步的试验研究。测量了电机在不同转速下空载运行时的定、转子温升及定子绕组的反电动势波形。通过与仿真结果的对比，部分验证了高速永磁电机理论分析和设计方法的正确性。在此基础上，提出一种高速永磁电机的改进设计方案，为进一步的研究工作打下了基础。
上传时间： 2013-04-24
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本文论述了基于ST7FMC的电动摩托车控制系统的研究。 近年来,由于燃油交通工具尾气排放对城市空气造成的严重污染，以及人们生活水平、环保意识的逐渐提高，绿色交通工具己成为时代发展的重要课题。考虑到我国目前的国情，发展电动车具有重要的环保意义。 随着电机技术及功率器件性能的不断提高,电动车的控制器发展迅速。但是目前市场上大多数的电动车产品均采用低集成度元件控制装置，功能过于简单，不能充分发挥系统潜力及处理一些特殊的控制问题。 提出了基于意法半导体芯片ST7FMC的永磁无刷直流电动机的控制系统设计方案，进行了低成本、高智能的无刷直流电机控制系统设计，能满足更多应用场合的需要。主要从以下几个方面进行了分析与研究: 首先，建立无刷直流电机的数学模型，并分析其电机运行特性。 其次，根据ST专用单片机的特点详细设计了系统的控制策略：将调速系统设计为电流、速度双闭环的PI算法控制，以保证调速性能和电流控制精度；采用ST芯片固有的寄存器进行速度的检测，比较精确；将相电流检测设计成母线电流PWM On中点检测；采用了高性能的驱动集成电路IR2136来驱动MOSFET组成的全桥逆变电路；驱动方式采用新型的凸形波驱动控制方法。 最后，组装了试验样车，通过实验室观测及实地运行，验证了系统运行的可靠性。 由此得出结论：本课题设计的基于ST7FMC的电动摩托车控制系统具有运行性能良好、可靠性高的特点，为后续的研究工作提供了一定的基础。
上传时间： 2013-05-17
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本课题来源于国家863计划《高速高效防爆稀土永磁同步电机研究》项目的部分研究内容。为了进一步提高稀土永磁同步电动机的效率，本论文主要采用有限元分析与实验相结合的方法，重点针对稀土永磁同步电动机稳态运行时的谐波转子铜耗、瞬态起动过程以及空载谐波磁场进行了深入研究。 论文利用有限元电磁场仿真软件MagNet，对油田抽油用22kW稀土永磁同步电动机进行了详细的电磁场仿真计算，首次，对谐波磁场引起的稀土永磁同步电动机稳态运行时的转子铜耗进行了深入分析。通过对22kW电机的间接法和直接法效率实验，分离出谐波引起的杂散损耗，并与仿真计算结果进行对比分析，证明了：实际稀土永磁同步电动机稳态运行时是存在转子铜耗的，这也是和传统稀土永磁同步电动机理论不同的地方。研究成果《稀土永磁同步电动机稳态运行时的转子铜耗分析》发表在核心期刊《微特电机》2006年第9期上。 论文采用有限元MagNet对抽油用22kW稀土永磁同步电动机进行了起动过程的仿真研究，并利用先进的动态示波记录仪DL750对22kW电机进行了空载起动过程的实验。实验结果表明有限元电磁仿真计算结果是准确的，也为稀土永磁同步电动机的优化设计提供了参考依据。研究成果《基于有限元的稀土永磁同步电动机起动过程仿真研究》发表在核心期刊《微特电机》2007年第1期上。 论文应用有限元电磁场软件MagNet对作者设计的370W稀土永磁同步电动机的空载气隙磁场进行了仿真分析，得到空载谐波磁场的波形畸变率是6.23﹪；为了验证有限元分析结果的正确性，专门设计了两台370W稀土永磁同步电动机对拖实验，利用WT3000电力分析仪分析出：实际空载气隙磁场波形的畸变率是3.26﹪；通过实验结果和仿真结果的对比分析，发现实际电机的转子鼠笼条对电机空载谐波磁场有很好的抑止作用。初步的研究成果《稀土永磁同步电动机空载气隙磁场的谐波分析研究》于2006年12月投到核心期刊《微特电机》上。
上传时间： 2013-04-24
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近年来，人们对环境保护越来越重视，SF<,6>气体的使用和排放受到限制，从而使电器领域内SF<,6>断路器的发展也受到限制。而真空断路器充分利用了真空优异的绝缘与熄弧特性，且对环境不造成污染，所以目前在中压领域已经占据了主导地位，而且不断向高电压、大容量方向发展。因此，未来高压真空断路器必然取代高压SF<,6>断路器。真空灭弧室是真空断路器的“心脏”，所以，开发高压真空断路器最关键的是灭弧室的设计。本文对110kV的真空灭弧室的内部电磁场进行了仿真分析，为我国开发110kV真空断路器提供一定的参考。 本文采用有限元软件对110kV真空断路器灭弧室内部静电场进行了仿真分析，得到了灭弧室内部各种屏蔽罩的大小、尺寸和位置对电场分布的影响；触头距离对灭弧室内部电场分布的影响；伞裙对灭弧室内部电场分布的影响。再根据等离子体和金属蒸气具有一定导电率的特点，从麦克斯韦基本方程出发，推导了灭弧室内部电场所满足的计算方程，然后用有限元法对二维电场进行了求解。考虑到弧后粒子消散过程中，电极和悬浮导体表面会有带电微粒的存在，又计算分析了带电微粒对真空灭弧室电场分布的影响，进而提出了使灭弧室内部电场更加均匀的措施。 根据大电流真空电弧的物理模型，基于磁场对电流的作用力理论，计算分析了真空电弧自生磁场的收缩效应以及对分断电弧的影响，得到了弧柱中自生磁场产生的电磁压强分布，最后分析了外加纵向磁场分量对减小自生磁场收缩效应的作用。 建立了110kV、1/2线圈以及1/3线圈纵向磁场触头三维电极模型，并利用有限元法进行了三维静磁场和涡流场仿真。得到了电流在峰值和过零时纵向磁场分别在触头片表面和触头间隙中心平面上的二维和三维分布，给出了这两种触头在电流过零时纵向磁场滞后时间沿径向路径和轴向路径的分布规律，最后还对这两种触头的性能进行了比较。
上传时间： 2013-07-09
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